CMOS與CCD的發(fā)展趨勢大解剖

2004年5月A版

　　有關(guān)CCD與CMOS的應(yīng)用爭論是80年代CMOS取像組件問世后正式展開，90年代CCD成為數(shù)字相機(jī)與數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的取像組件主流，尤其是在數(shù)字相機(jī)領(lǐng)域，CCD更具有壓倒性的占有率。CMOS取像組件為了避免與CCD正面決戰(zhàn)，因此在行動(dòng)電話等領(lǐng)域另辟戰(zhàn)場并獲得大勝，不過卻也招致CCD的覬覦，并且迅速與CMOS形成競爭局面，2003年開始取像組件的像素?cái)?shù)從30萬一口氣提高4倍，甚至超過130萬像素以上，使得CCD取像組件更因它的影像品質(zhì)優(yōu)勢蠶食CMOS既有的生存空間 (圖1)。

　　相關(guān)業(yè)者普遍認(rèn)為內(nèi)附取像鏡頭的行動(dòng)電話(以下簡稱為照相手機(jī))的像素?cái)?shù)量短期內(nèi)不易再向上攀升，假設(shè)像素?cái)?shù)不再增加，而且2004年~2005年CMOS取像組件也跨越100~130萬像素技術(shù)門檻，如此一來CMOS就可充分發(fā)揮小型低耗電量等優(yōu)勢，進(jìn)而再度奪回在照相手機(jī)的占有率。

應(yīng)用趨勢

　　最近幾年相關(guān)業(yè)者對CCD與CMOS取像組件的認(rèn)知發(fā)生重大改變，具體內(nèi)容分別如下:

　　圖2是以往與最近對CCD與CMOS兩取像組件的認(rèn)知比較。

　　蕕撓跋歟��伊計(jì)仿嗜雜寫©克服。此外加大擴(kuò)散層改變基本結(jié)構(gòu)，更造成無法與周邊高性能化數(shù)字電路整合，達(dá)成所謂的兩全其美目標(biāo)，事實(shí)上這意味CMOS已經(jīng)喪失單芯片的優(yōu)勢。

　　由于CMOS與CCD兩者的優(yōu)缺點(diǎn)隨著技術(shù)的進(jìn)化，以往所謂的“要求高畫質(zhì)的高階產(chǎn)品使用CCD，低耗量電低價(jià)為訴求時(shí)使用CMOS”壁壘分明的格局，正受到行動(dòng)電話的發(fā)展快速瓦解，形成二分天下相互競爭的局面，該趨勢可見圖3，2002年內(nèi)建取像鏡頭的行動(dòng)電話已經(jīng)成為市場主流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得證實(shí)，一般認(rèn)為2005年全球照相手機(jī)的比率可達(dá)20%，屆時(shí)市場規(guī)模將超過1億臺(tái)(圖4)。

　　早期的照相手機(jī)基于價(jià)格與耗電量優(yōu)先等考量，因此取像鏡頭大多使用CMOS傳感器，隨后市場才出現(xiàn)高畫質(zhì)要求，三洋電機(jī)隨即在2001年2月推出內(nèi)建1/7英寸~11萬像素CCD取像模塊的照相手機(jī)，2002年5月SHARP則推出內(nèi)建1/5英寸~31萬像素CCD取像模塊的照相手機(jī)，由于兩種截然不同的取像相繼被應(yīng)用在照相手機(jī)，使得CMOS與CCD正式展開競爭局面，在此同時(shí)CMOS為了要與CCD一爭高低，試圖藉由高畫質(zhì)化的改善阻擋CCD的攻勢，結(jié)果造成互不相讓的局面。

　　如圖5所示可知綜觀2000年~2003年照相手機(jī)的發(fā)展動(dòng)向，由于取像模塊由31萬像素提高至百萬像素已經(jīng)成為業(yè)界普遍的共識(shí)，因此CMOS與CCD究竟何者會(huì)勝出，事實(shí)上取決于何者可達(dá)成100~130萬像素的目標(biāo)，而能否達(dá)成100~130萬像素目標(biāo)，則取決于何者可將像素尺寸微縮成3mm大小(圖6)，尤其是照相手機(jī)用取像模塊對取像組件的高度有嚴(yán)格限制，由于光學(xué)上的限制因此取像組件外形尺寸不可超過1/4英寸，依此換算100~130萬像素取像組件的像素尺寸大約是3mm大小，為達(dá)成上述目標(biāo)并非單純采用更微細(xì)工藝即可，因?yàn)橄袼爻叽缭叫∈芄饬肯鄬p少，為了維持影像品質(zhì)必需提高單位面積的感度，亦即像素尺寸微細(xì)化技巧成為各廠商的技術(shù)指針，一般認(rèn)為100~130萬像素取像組件在2003年仍然是CCD占優(yōu)勢。

　　技術(shù)動(dòng)向

　　為了要與CCD取像組件競爭，CMOS廠商正努力改善組件特性，具體內(nèi)容大多與畫質(zhì)有關(guān)，分別是:

　　寥〉繆狗淺５停��醞耆�誶妒焦獾綞™極管聚集方式始終不易達(dá)成，有鑒于此，該公司針對晶體管與CMOS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，因此CMOS讀取電壓即使只有2.8V亦可工作，而且暗電流降至對策前的1/10以下(圖8)。

　　相較于CMOS的急起直追，CCD廠商也加快步伐進(jìn)行新技術(shù)開發(fā)，其中又以三洋電機(jī)最積極。如圖9所示該公司自從2001年2月首度推出照相手機(jī)用11萬像素CCD取像組件之后，便不斷進(jìn)行耗電量的改善，由圖可知2001年1/7英寸11萬像素CCD取像組件的耗電量是90mW，2003年2月問世的1/9英寸11萬像素CCD取像組件的耗電量只有35mW，單就耗電量而言，該CCD不比CMOS的40~80mW遜色。有關(guān)低耗電量的改善，三洋電機(jī)堅(jiān)持采取其它廠商非常忌諱的Frame Transfer方式(以下簡稱為FT)，由于光電二極管與電荷轉(zhuǎn)送部分可作成一體化，因此FT可比其它方式更易獲得低電壓化效應(yīng)，例如垂直CCD的工作電壓其它公司是12~15V，三洋電機(jī)的CCD則只有一半大約是7~8V左右，此外只需中耐壓工藝即可，因此更容易與其它數(shù)字電路整合，以耗電量為35mW的CCD為例，該CCD就是將周邊的驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、模擬前端處理電路與DSP整合成單芯片。值得一提的是FT方式的縱向光紋，極易沿著轉(zhuǎn)送路徑滲入造成smear噪聲，三洋電機(jī)根據(jù)各列計(jì)算35mW的CCD的smear噪聲，藉由消除smear噪聲的影像演算處理進(jìn)行補(bǔ)正。
　　
　　圖10是利用CMOS制程制作與CCD像素相同結(jié)構(gòu)，試圖藉此獲得低噪聲化效果的VMIS(Threshold Voltage Modulation Image Sensor)新技術(shù)的概念圖，VMIS是擁有CMOS 生產(chǎn)線的LSI廠商ENO-TECH Co開發(fā)的技術(shù)，該公司除了授權(quán)給EPSON之外，今后會(huì)再提供相關(guān)技術(shù)給日本兩家公司。

　　表2與表3是日本各取像組件(光電傳感器)廠商針對照相手機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品發(fā)展動(dòng)向統(tǒng)計(jì)表，由表可知三洋電機(jī)目前是以耗電量11萬像素CCD取像組件為主要訴求。有關(guān)100~130萬像素取像組件的規(guī)格與研發(fā)日程仍在研擬階段；同時(shí)擁有CCD與CMOS兩種技術(shù)的SHARP也是抱持與三洋電機(jī)相同的策略，亦即目前是以11萬像素CMOS為主，未來100~130萬像素取像組件則傾向采用CCD方式；2002年第三季加入照相手機(jī)用CMOS取像組件行列的SONY，則在2003年推出100~130萬像素CMOS取像組件，該公司預(yù)測2004~2005年CMOS取像組件的畫質(zhì)若能達(dá)到CCD的水準(zhǔn)，具備小型低耗電優(yōu)點(diǎn)的CMOS將成為市場主流；同樣擁有CCD與CMOS兩種技術(shù)的松下電器雖然尚未公布量產(chǎn)日程，不過該公司在2003年已建立1/4英寸100~130萬像素取像組件的制作技術(shù)；三菱與松下電器一樣已建立百萬像素取像組件的制作技術(shù)，不過量產(chǎn)日程則尚未確定。

結(jié)語

　　由于數(shù)字相機(jī)與高頻通信技術(shù)的進(jìn)步，行動(dòng)電話可輕易沿用數(shù)字相機(jī)的取像組件技術(shù)，建構(gòu)具備攝影功能又可作實(shí)時(shí)影像傳輸?shù)恼障嗍謾C(jī)。在CMOS與CCD兩取像組件僵持不下的同時(shí)，夢幻般的可變倍焦(zoom lens)鏡頭即將登場，這意味著未來數(shù)字相機(jī)與照相手機(jī)，將出現(xiàn)嚴(yán)重的市場重疊現(xiàn)象，何者可勝出則取決于取像組件的性能。■(選自《零組件》雜志)